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电子信息工程导论第二章消息的电子信息工程导论第二章消息的数字化及应用数字化及应用本讲稿第一页，共三十页第二章消息的数字化及应用第二章消息的数字化及应用134一、为什么要数字化？一、为什么要数字化？二、二进制代码及数制二、二进制代码及数制三、数字化的实现三、数字化的实现-A/D、D/A简介简介四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码六、图像的数字化编码及应用六、图像的数字化编码及应用七、数字电视简介七、数字电视简介 小结小结提纲提纲本讲稿第二页，共三十页一、为什么要数字化一、为什么要数字化?（一）计算机操作的是二进制数码信号（一）计算机操作的是二进制数码信号二进制数码的信号波形二进制数码的信号波形（二）只有数字信号才能精确表示物理量（二）只有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟万用表模拟量根据表模拟量根据表的指针读数，的指针读数，一般只能精确一般只能精确到三位数到三位数。数字万用表数字万用表二进制数字可表示物理二进制数字可表示物理量所要求的精度。目前量所要求的精度。目前可精确到可精确到10位数以上位数以上（对应采用（对应采用32位二进制位二进制数码表示一个数值）。数码表示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算，计算机通过逻辑电路实现运算。数字示波器数字示波器本讲稿第三页，共三十页二进数二进数码波形码波形实际信号波形实际信号波形受干扰后受干扰后的波形的波形定时信号定时信号再生信号再生信号一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续1）（三）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响（三）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响受干扰后的信号经再生受干扰后的信号经再生定时判决可正确恢复。定时判决可正确恢复。本讲稿第四页，共三十页一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续2）（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时传例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时传48路数字路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在通信原理课程中才会详细讲授）。电视节目（由于这涉及较多概念，在通信原理课程中才会详细讲授）。（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻数字电路数字电路高频模拟电路高频模拟电路本讲稿第五页，共三十页 数字化优点数字化优点性性能能稳稳定定、生生产产方方便便（五）（五）便便于于计计算算机机操操作作（一）（一）传传输输效效率率高高（四）（四）抗抗干干扰扰能能力力强强（三）（三）精精确确表表示示物物理理量量（二）（二）一、为什么要数字化（续一、为什么要数字化（续3）本讲稿第六页，共三十页二、二进制代码及数制二、二进制代码及数制十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表1）同一数值可表示为不同数制同一数值可表示为不同数制的数，它们之间可相互转换。的数，它们之间可相互转换。2）日常书面语言习惯用十进日常书面语言习惯用十进制。计算机运算用二进制数。制。计算机运算用二进制数。计算机程序书写为简便，可计算机程序书写为简便，可用八进制、十六进制。用八进制、十六进制。3）数制之间的转换运算方法数制之间的转换运算方法请阅读教材。请阅读教材。本讲稿第七页，共三十页三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（一）（一）A/D转换器原理转换器原理A/D的原理简化框图的原理简化框图A/D是专用集成电路成熟产品，以是专用集成电路成熟产品，以A/D的位数标明它能达到的转换精度。的位数标明它能达到的转换精度。固定电话使用固定电话使用8位位A/D，移动通信使用，移动通信使用13位位A/D。由由A/D实现语音数字化。实现语音数字化。目前高精度目前高精度A/D可达可达32位。位。模拟量（信号）通过模拟量（信号）通过A/D转换器变为数字量（信号）转换器变为数字量（信号）。本讲稿第八页，共三十页三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（一）（一）A/D转换器原理转换器原理（续）（续）A/D的位数的位数与与 量化电平数之间的对应关系是：量化电平数之间的对应关系是：M=2n 其中其中 M表示量化电平数，表示量化电平数，n表示位数。表示位数。3位位A/D对对应应8个量化个量化电平关系电平关系图图。A/D允许的输入信号幅值一般为允许的输入信号幅值一般为 5V，根据电平数即可计算出量化精度，根据电平数即可计算出量化精度。本讲稿第九页，共三十页三、数字化的实现三、数字化的实现 -A/D、D/A简介简介（二）（二）D/A转换器原理转换器原理由由D/A完成由数码到模拟信号的反变换。完成由数码到模拟信号的反变换。数码变模拟信号数码变模拟信号的原理说明简图的原理说明简图本讲稿第十页，共三十页四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码 （一）英文的字符编码（一）英文的字符编码高3位低4位0000010100111001011101110000NULDELSP0P.p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr0011ETXDC3#3CScs0100DOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYIy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,Nn1111SIUS/?OoDEL采用采用 ASCII码码本讲稿第十一页，共三十页四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码 （二）汉字的字符编码（二）汉字的字符编码汉字编码分为输入码、交换码、机内码和字形码。目的是将汉字也用二进制编码表汉字编码分为输入码、交换码、机内码和字形码。目的是将汉字也用二进制编码表示，并映射成示，并映射成ASCII码。码。1 输入码输入码输入码将汉字影射到计算机键盘上的一组键盘符号。目前常用的输入码有拼音码、五笔字型码、自然码、表形码和电报码等。不同的汉字输入法，仅仅是输入码不同。计算机在处理汉字信息时需把不同的输入码转换成国家规定的汉字的标准代码。2 交换码交换码交换码是计算机内部处理汉字信息的一种标准代码。中国国家标准总局于1981年制定了中华人民共和国国家标准GB2312-80信息交换用汉字编码字符集-基本集，即国标码。国标码的物理模型表现形式是区位编码区位编码，即把国标GB2312-80中的汉字、图形符号与一个9494的方阵对应。本讲稿第十二页，共三十页国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号7445个，其中个，其中7445个汉字和图形个汉字和图形字符各占一个位置后，还剩下字符各占一个位置后，还剩下1391个空位，这个空位，这1391个位置空下来保留备用。个位置空下来保留备用。四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码区位码的物理模型图：区位码的物理模型图：方阵包含的位置总数是方阵包含的位置总数是94948836个，利用个，利用“区区”、“位位”的代号来编码的代号来编码汉字，因而可以编码汉字，因而可以编码8836个汉字与字符。个汉字与字符。（二）汉字的字符编码（续（二）汉字的字符编码（续1）本讲稿第十三页，共三十页四、字符的数字化编码四、字符的数字化编码 （二）汉字的字符编码（续（二）汉字的字符编码（续2）3 机内码机内码国标码变换为二进制代码需要两个7位码，一个7位（27=128）表示“区”，另一个7位表示“位”。但是这个代码在计算机内部处理时会与ASCII码发生冲突，为解决这个问题，把国标码的每一个字节的首位上加1。由于ASCII码只用7位（首位置0），所以，这个首位上的“1”就可以作为识别汉字代码的标志，计算机在处理到首位是“1”的代码时把它理解为是汉字的信息，在处理到首位是“0”的代码时把它理解为是ASCII码。4 汉字的字形码汉字的字形码字形码又称汉字输出码。在计算机中用一组二进制数表示点阵，用0表示白点，用1表示黑点。汉字字形点阵有1616、2424、4848几种。点阵数越多对每个汉字的修饰作用就越强，打印质量也就越高。点阵是汉字图形的数字化信息，又称汉字字模。可以选择不同的字模，如“宋体”、“楷体”等来改变字体图形。本讲稿第十四页，共三十页五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（一）语音的波形编码（一）语音的波形编码波形编码：是把语音信号波形幅度值变为二进制数码，见图。方法是将连波形编码：是把语音信号波形幅度值变为二进制数码，见图。方法是将连续语音波形续语音波形“采样采样”，再将每一个采样值编码。，再将每一个采样值编码。3位码、位码、8电平的采样、编码过程示意图电平的采样、编码过程示意图本讲稿第十五页，共三十页五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（一）语音的波形编码（续）（一）语音的波形编码（续）采样定理：设取样脉冲采样定理：设取样脉冲s(t)的重复频率为的重复频率为fs=1/T，输入模拟信号，输入模拟信号x(t)的频谱中的最高频率分量的频率为的频谱中的最高频率分量的频率为fmax，只要，只要fs满足满足fs 2fmax，则将采样脉冲信号，则将采样脉冲信号y(t)通过一截止频率为通过一截止频率为fmax的低通滤波器就可以无失真地恢的低通滤波器就可以无失真地恢复原模拟信号复原模拟信号x(t)。低通滤低通滤波器波器波形编码的理论基础是采样定理。波形编码的理论基础是采样定理。在在信号与线性系统或通信原理课程中将证明采样定理原理。信号与线性系统或通信原理课程中将证明采样定理原理。本讲稿第十六页，共三十页 重要参数重要参数语音的最高频率：语音的最高频率：3400Hz，在固定电话系统中使用的采样频率在固定电话系统中使用的采样频率=8kHz，采用采用8位二进制码（位二进制码（256个量化电平）编码，个量化电平）编码，得固定电话中的码速率得固定电话中的码速率：码速率码速率=88kHz=64kHz 注注1：1Hz等效于等效于1bit/s（1比特比特/秒），这一说法不严格，为什么？秒），这一说法不严格，为什么？学到专业课时就能明白。学到专业课时就能明白。注注2：VCD、DVD中的音乐编码的中的音乐编码的A/D位数和采样频率都要高很多，以保位数和采样频率都要高很多，以保 证良好音质。证良好音质。提示提示本讲稿第十七页，共三十页五、语音的数字化编码五、语音的数字化编码（二）语音的参量编码（二）语音的参量编码语音参数，如：元音、辅音、清音、浊音、升调、降调和声强等等。不同的语言可能有不同的参量。假设某种语言是由256个不同的参量组成，因为28=256，所以只需要用8比特就可以表示这256个不同参量了；又假设该语言语流的最快发音速度也不超过10个参量/秒，从而可以估算出所需的编码数据速率是：8比特/参量10参量/秒=80比特/秒。参量编码：编码的是语音参数，而不是波形。参量编码优于波形编码。参量编码：编码的是语音参数，而不是波形。参量编码优于波形编码。目前GSM和CDMA移动通信系统中所采用的语音编码方案是以8千赫兹速率采样，13比特A/D均匀量化编码，每160个采样点（20毫秒时长）为一组，用数字信号处理方法分析提取这20毫秒时长内的语音参量，再编码传输，接收机依据语音参量再合成语音。因而移动通信中的语音数码速率大大低于固定电话移动通信中的语音数码速率大大低于固定电话。本讲稿第十八页，共三十页重要参数重要参数GSM移动通信系统中传送语音的数据移动通信系统中传送语音的数据速率是速率是13kbit/s。CDMA 移动通信系统中传送语音的最低数移动通信系统中传送语音的最低数据速率是据速率是1.2kbit/s。移动通信中的语音编码方案明显优于移动通信中的语音编码方案明显优于固定电话，但较复杂。固定电话，但较复杂。注：移动电话和固定电话通话时要进行语音编码方式的转换！注：移动电话和固定电话通话时要进行语音编码方式的转换！提示提示本讲稿第十九页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（一）图像编码的应用领域及类型（一）图像编码的应用领域及类型数字图像编码已应用到人们日常生活、生产和社会活动的各个领域。数字图像编码已应用到人们日常生活、生产和社会活动的各个领域。3MPEG-4标准 网络电视网络电视 移动电视移动电视 视频监控视频监控活动图活动图像编码像编码 数码像机数码像机 图书出版图书出版 资源遥感资源遥感1JPEG标准固定图固定图像编码像编码类类型型标标准准应应 用用 领领 域域2MPEG标准 数字电视数字电视 数码摄像机数码摄像机 DVD活动图活动图像编码像编码本讲稿第二十页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（二）图像的数字化（二）图像的数字化5656个像素点个像素点“人头像人头像”用用3位码编码的人头像位码编码的人头像图像的数字化：是将每一个像素点的图像的数字化：是将每一个像素点的“灰度灰度”值编码二进制数码值编码二进制数码。图像信息处理技术的重要性将随着工业信息化建设的推进显得日益重要图像信息处理技术的重要性将随着工业信息化建设的推进显得日益重要。本讲稿第二十一页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（二）图像的数字化（二）图像的数字化所有的颜色都可以由几种基本的彩色按一定比例调配而成。彩色电视中选的3种基本颜色是：R（红色）、G（绿色）和B（蓝色）。考虑到利用黑白电视机要能收看彩色电视节目信号，因而在设计彩色电视体制时又将三种彩色相加合成出一个亮度信号Y，亮度信号的组成比例是：Y=0.30R0.59G0.11B彩色电视在传送亮度信号的同时再传送两个色差分量信号Pr、Pb，保持三个信号通道。色差方程是：Pr=RY=0.7R0.59G0.11BPb=BY=0.30R0.59G0.89B彩色图像的编码是同时编码Y、Pr、Pb三个分量的信号。接收端再通过解码，还原出R、G、B原三色，以合成出彩色图像。注：在注：在彩色电视原理彩色电视原理课程中会详细讲述实现原理、技术。课程中会详细讲述实现原理、技术。本讲稿第二十二页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（三）静止图像的编码格式（三）静止图像的编码格式静止图像的编码与活动图像的编码有很大不同。静止图像的编码主要用在照像机中。静止图像的编码与活动图像的编码有很大不同。静止图像的编码主要用在照像机中。（见教材）（见教材）（四）视频图像编码（四）视频图像编码视频图像即活动图像。在网络上传送的活动图像又称为流媒体。像素点按扫描光栅视频图像即活动图像。在网络上传送的活动图像又称为流媒体。像素点按扫描光栅的时间顺序安排。的时间顺序安排。偶数场偶数场奇数场奇数场电视图像奇偶光栅扫描示意电视图像奇偶光栅扫描示意本讲稿第二十三页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（四）视频图像编码（续）（四）视频图像编码（续）Mpeg-4Mpeg-4兼容型兼容型兼容型兼容型流媒体流媒体VCDMpeg-1Mpeg-2DVD数字电视视频编码应用：视频编码应用：本讲稿第二十四页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（五）高清数字电视（五）高清数字电视ATSC（美国地面）DVB（欧盟）ISDB（日本地面）DVB-T（地面）DVB-C（电缆）DVB-S（卫）视频编码方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2音频编码方式AC-3MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2复用方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2MPEG2调制方式8VSBCOFDMQAMQPSKQPSK带宽（Hz）6M8M-27M高清晰度数字电视是广播电视、通信、信号处理、计算机和微电子等诸多领域高清晰度数字电视是广播电视、通信、信号处理、计算机和微电子等诸多领域高新技术的总成，是高新技术的总成，是现代图像编码、信道编码、信号调制技术成就于一身的现代高科技的现代图像编码、信道编码、信号调制技术成就于一身的现代高科技的产品。产品。1）三种国外数字电视标准：三种国外数字电视标准：本讲稿第二十五页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用2）中国的地面数字电视标准中国的地面数字电视标准-DMB-TH DMB-TH（TerrestrialDigitalMultimediaTV/HandleBroadcasting）（五）高清数字电视（五）高清数字电视DMB-TH在覆盖范围、抗干扰能力、接收性能、系统稳定性等方面比欧洲标准（DMB-T）有明显提高。DMB-TH的技术核心是采用了MQAM/QPSK与时域同步正交频分复用（TDSOFDM）相结合的调制技术，使用了当前最先进的低密度奇偶校验信道编码LDPC（lowdensityparity-checkcode）。该标准支持高清晰度电视、标准清晰度电视和移动电视(MobileTV)、多媒体数据广播等。扫描方式：逐行扫描720P图像宽高比：16：9图像分辨率（或者称有效像素）：1280720（HDTV）我国将在我国将在2010年实现高清数字电视的普及，年实现高清数字电视的普及，2015年将全面取代现有的模拟电视系统。年将全面取代现有的模拟电视系统。（当前推广使用的是标清数字电视）（当前推广使用的是标清数字电视）本讲稿第二十六页，共三十页 我国我国DMB-TH数数字电视标准的制定，以及在北字电视标准的制定，以及在北京奥运期间的试播成功，再一次说明了我国在电京奥运期间的试播成功，再一次说明了我国在电子信息技术方面的自主创新能力。这是继第三代子信息技术方面的自主创新能力。这是继第三代移动通信标准移动通信标准TD-SCDMA之后的又一项重大电之后的又一项重大电子信息技术科技成果。子信息技术科技成果。高清数字电视将带动电子信息技术的又一巨高清数字电视将带动电子信息技术的又一巨大产业群的成长。大产业群的成长。六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用本讲稿第二十七页，共三十页六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用（六）液晶和等离子显示器（六）液晶和等离子显示器 液晶液晶柱状液晶分子的排列可由电柱状液晶分子的排列可由电场控制，由薄膜晶体管产生场控制，由薄膜晶体管产生可变电场控制液晶分子排列，可变电场控制液晶分子排列，从而也就控制了透过液晶光从而也就控制了透过液晶光的强弱，而构成图像。的强弱，而构成图像。等离子等离子在很小的等离子管电极间加在很小的等离子管电极间加高压，离子管小容器中的气高压，离子管小容器中的气体产生紫外光，利用该紫外体产生紫外光，利用该紫外光激励红绿蓝（光激励红绿蓝（RGB）三基）三基色荧光粉发出可见光，而构色荧光粉发出可见光，而构造显示屏。造显示屏。本讲稿第二十八页，共三十页(1)等离子的优势等离子的优势相比液晶电视，等离子电视的优势相比液晶电视，等离子电视的优势:价格相对便宜；等离子显示屏尺寸可做得很大；在价格相对便宜；等离子显示屏尺寸可做得很大；在视角、立体感、色彩还原等方面等离子优于液晶；在功耗方面，等离子电视在工作状态下，视角、立体感、色彩还原等方面等离子优于液晶；在功耗方面，等离子电视在工作状态下，功耗是动态变化的，暗画面时因像素不发光而几乎不耗电，而液晶电视由于背光灯的亮度恒功耗是动态变化的，暗画面时因像素不发光而几乎不耗电，而液晶电视由于背光灯的亮度恒定，无论画面亮暗，功耗始终恒定，因此实际使用的耗电量液晶要多于等离子；在时间响应定，无论画面亮暗，功耗始终恒定，因此实际使用的耗电量液晶要多于等离子；在时间响应上等离子优于液晶，因而等离子电视显示运动图像的效果更好。上等离子优于液晶，因而等离子电视显示运动图像的效果更好。（2）液晶电视的优势）液晶电视的优势 液晶电视的主要优势是图像清晰度优于等离子，所以液晶电视的主要优势是图像清晰度优于等离子，所以50英寸以下的电视对液晶英寸以下的电视对液晶有利；手机显示、计算机显示器等小屏幕显示几乎是液晶的一统天下。有利；手机显示、计算机显示器等小屏幕显示几乎是液晶的一统天下。性能最好的显示器还是在电子管基础上发展的传统性能最好的显示器还是在电子管基础上发展的传统CRT显像管，在性能指标方面显像管，在性能指标方面LCD、PDP都不能与都不能与CRT相比，问题是相比，问题是CRT体积太大了。体积太大了。液晶与等离子显示的比较液晶与等离子显示的比较六、图像的数字化编码六、图像的数字化编码 及应用及应用本讲稿第二十九页，共三十页 本章小结本章小结1）文字、语音和图像的数字化技术，已广泛应用在通信、）文字、语音和图像的数字化技术，已广泛应用在通信、计算机、家用电子设备和电视系统中。计算机、家用电子设备和电视系统中。2）消息数字化是信息化的前提，只有数字化的消息才能被）消息数字化是信息化的前提，只有数字化的消息才能被 计算机所接纳，人们才能利用计算机对其进行处理、识计算机所接纳，人们才能利用计算机对其进行处理、识 别、显示和存储，才可能发展别、显示和存储，才可能发展“数字化家庭数字化家庭”、“数字化数字化 网络网络”、“数字化城市数字化城市”、“数字化地球数字化地球”等。等。3）图像数字化带给人们的可视成果是数字高清电视。数字）图像数字化带给人们的可视成果是数字高清电视。数字 高清电视是电子信息技术多学科最新成果的综合。高清电视是电子信息技术多学科最新成果的综合。本章介绍的内容涉及众多的技术概念，这些概念随着今后学本章介绍的内容涉及众多的技术概念，这些概念随着今后学习专业课程将会逐渐明白。习专业课程将会逐渐明白。本讲稿第三十页，共三十页